混凝濾布過濾-缺氧濾池／生物滴濾工藝處理生活污水

趙慶良，李江雯，2，魏亮亮，王 琨，李 偉

混凝濾布過濾-缺氧濾池／生物滴濾工藝處理生活污水

趙慶良1，李江雯1，2，魏亮亮1，王 琨1，李 偉1

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，300142天津）

為實(shí)現(xiàn)小城鎮(zhèn)污水高效、節(jié)能、低耗處理，建立混凝濾布過濾-缺氧濾池／生物滴濾污水處理組合工藝.在優(yōu)選實(shí)驗(yàn)裝置及材料的基礎(chǔ)上，探究各部分工藝最優(yōu)運(yùn)行參數(shù).在研究系統(tǒng)對(duì)常規(guī)污染物去除的同時(shí)，重點(diǎn)分析生物濾池啟動(dòng)過程對(duì)氨氮和總氮的去除能力.結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰基混凝劑投加量為1 mL／L時(shí)，混凝-濾布過濾對(duì)CODcr的去除率可達(dá)54%，對(duì)TP的去除率達(dá)81%，且具有工作周期長(zhǎng)、耗能少等特點(diǎn)；生物濾池在水力負(fù)荷為15 L／d、硝化液回流比為150%時(shí)運(yùn)行效果最好，可保證系統(tǒng)出水氨氮、CODcr、TP、TN均達(dá)到GB18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

小城鎮(zhèn)；污水；混凝-濾布過濾；生物滴濾池；脫氮

小城鎮(zhèn)污水［1］的常用處理方法有好氧活性污泥法和以穩(wěn)定塘、人工濕地為代表的自然處理方法［2］.前者成本較高、占地面積大、能耗高，并不適宜小城鎮(zhèn)污水水量小、水質(zhì)波動(dòng)大的特點(diǎn)；而后者需要占用較大的土地資源，不能很好地解決污水中氮的去除問題，且容易引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化.因此，開發(fā)適合小城鎮(zhèn)污水處理特征的新型工藝已成為解決小城鎮(zhèn)污水處理問題的必由之路.

化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理（CEPT）常用作污水的一級(jí)強(qiáng)化處理或者二級(jí)預(yù)處理，相對(duì)于常規(guī)生化處理工藝，強(qiáng)化混凝技術(shù)可節(jié)省工程投資、減少水處理成本，對(duì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化元素之一的總磷去除率達(dá)90%以上，但存在混凝劑成本高等特點(diǎn)［3］.近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的混凝濾布過濾技術(shù)能夠替代傳統(tǒng)沉淀池，具有結(jié)構(gòu)緊湊、水頭損失小、占地面積少、處理費(fèi)用低等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于污水處理廠深度處理［4-7］，但較少應(yīng)用于污水一級(jí)處理.本文提出以混凝濾布過濾工藝作為一級(jí)處理工藝，去除生活污水中的SS、TP和部分CODcr.

以活性污泥法衍生工藝為主的脫氮除磷工藝需要較大的曝氣量，曝氣能耗占污水處理總能耗的一半以上.生物滴濾池作為附著生長(zhǎng)（生物膜）的一種工藝形式，通過合適的載體和反應(yīng)器構(gòu)型設(shè)計(jì)，可依靠自然通風(fēng)供氧，節(jié)省曝氣費(fèi)用，大幅提高硝化細(xì)菌在處理系統(tǒng)中的停留時(shí)間［8］.目前，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)滴濾池脫氮已開展了大量研究.Persson等［9］指出，隨著濾池深度的增加，硝化細(xì)菌在硝化滴濾池生物膜中所占比例下降，但硝化潛力并未減少；Akker等［10］指出硝化滴濾池在處理微污染飲用水時(shí)，進(jìn)水CODcr的增加會(huì)對(duì)滴濾池的硝化能力產(chǎn)生抑制作用；戴世明等［11］利用滴濾池／人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水的研究表明，滴濾池對(duì)氨氮去除率為89.5%，但TP的去除主要發(fā)生在人工濕地內(nèi).因此，提出以混凝-濾布過濾系統(tǒng)作為生物滴濾池的預(yù)處理工藝，以解決生物濾池系統(tǒng)對(duì)污水中的懸浮顆粒、TP和部分有機(jī)物去除不佳的問題，實(shí)現(xiàn)污水中N、P在系統(tǒng)內(nèi)不同階段的高效去除.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

工藝流程如圖1所示，污水經(jīng)混凝后直接進(jìn)入濾布過濾裝置，濾布材料為尼龍，400目，孔徑38μm，過濾膜組件尺寸為17 cm×6 cm×4 cm，有效過濾面積為200 cm2，由真空抽吸泵（AP-01D，天津）控制出水流量.當(dāng)濾布過濾裝置內(nèi)外壓差達(dá)0.02 MPa時(shí)，對(duì)濾布進(jìn)行反沖洗（反沖洗流量為500 mL／min，反沖洗時(shí)間為4 min），反沖洗水為滴濾池出水，反沖洗后產(chǎn)生的污水回流至進(jìn)水端進(jìn)行處理.混凝過濾后出水進(jìn)入缺氧生物濾池，缺氧濾池出水進(jìn)入滴濾池.滴濾池出水回流至缺氧段，回流比為150%.生物滴濾池高1.8 m，直徑80 mm，自頂端起每隔30 cm設(shè)置1個(gè)取樣孔，濾池內(nèi)填充火山巖作為填料，相關(guān)參數(shù)見表1.缺氧濾池直徑與滴濾池相同，高0.6 m，其填料與滴濾池相同，粒徑為2～3 cm，略大于滴濾池粒徑，缺氧濾池與滴濾池容積比為1∶3.

滴濾池出水進(jìn)入沉淀池，經(jīng)過沉淀后上清液排放，沉淀污泥回流至濾布過濾裝置，組合工藝每天排泥一次（排泥量為0.04～0.06 L／d，污泥含水率為96%）.裝置處理規(guī)模為15 L／d，濾池水力負(fù)荷為3 m3／（m2·d）.

圖1 工藝流程示意

表1 火山巖填料性質(zhì)

1.2實(shí)驗(yàn)用水

待處理污水取自某家屬區(qū)地下排水管道，水質(zhì)指標(biāo)見表2.

表2 實(shí)驗(yàn)用污水水質(zhì)

1.3實(shí)驗(yàn)方法

生物滴濾池由上至下每隔30 cm設(shè)置一個(gè)取樣口，定期從每個(gè)取樣口取水樣測(cè)定CODcr、氨氮、N-N、溶解氧等指標(biāo).CODcr、氨氮、N-N、TN及TP等指標(biāo)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定［12］.

1.3.1 混凝實(shí)驗(yàn)

混凝實(shí)驗(yàn)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水的混凝、沉淀燒杯試驗(yàn)方法（GB／T 16881—2008）進(jìn)行.以生活污水作為原水，選取一級(jí)化學(xué)強(qiáng)化處理常用的3種混凝劑氯化鐵FeCl3、硫酸鋁Al2（SO4）3及粉煤灰基混凝劑［13］，在原水中分別投加不同劑量的混凝劑，先以200 r／min的轉(zhuǎn)速快速攪拌3 min，再以轉(zhuǎn)速60 r／min慢速攪拌10 min后停止攪拌，靜沉30 min后取上清液測(cè)定CODcr、TP、氨氮.

1.3.2 過濾實(shí)驗(yàn)

選用400目尼龍濾布，將原水經(jīng)混凝后（不需沉淀）直接進(jìn)入濾布濾池，濾池內(nèi)設(shè)密封的濾布過濾組件，過濾組件一端設(shè)出水口與抽吸泵相連，抽吸泵流量恒定為30 L／h，過濾組件與抽吸泵之間安裝真空壓力表，測(cè)定在恒定通量下過濾前后進(jìn)出水壓差，在實(shí)驗(yàn)過程中取進(jìn)、出水水樣分析CODcr及TP.

1.3.3 生物濾池的掛膜啟動(dòng)

生物濾池污泥培養(yǎng)采用接種掛膜法［14］，好氧接種污泥取自某城市污水處理廠（A／O工藝）好氧段活性污泥.為使污泥均勻分布于生物濾池的填料內(nèi)，以25 L／d的流量將污泥循環(huán)打入生物濾池中，共歷時(shí)4 d.

接種污泥后進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng).為防止培養(yǎng)初期水量過大填料內(nèi)污泥脫落，在連續(xù)培養(yǎng)初期采用低流量進(jìn)水，然后逐步增加流量的培養(yǎng)方式.生物濾池初始進(jìn)水量為10 L／d，隨后以每天1 L的速度遞增，直到15 L／d.

滴濾池啟動(dòng)完成后，啟動(dòng)缺氧生物濾池.缺氧濾池接種污泥取自某城市污水處理廠（A／O工藝）缺氧段污泥，缺氧濾池進(jìn)水方式為上升流，底部進(jìn)水，頂部出水.為避免初期污泥流失，缺氧生物濾池初始回流比為30%，之后每天回流比增大10%，10 d后達(dá)到設(shè)計(jì)的運(yùn)行回流比150%.

2 結(jié)果與討論

2.1混凝劑的優(yōu)選及其混凝效果

選用生活污水一級(jí)化學(xué)強(qiáng)化處理常用的3種混凝劑氯化鐵FeCl3、硫酸鋁Al2（SO4）3和粉煤灰基混凝劑，進(jìn)行混凝燒杯實(shí)驗(yàn)，以確定實(shí)驗(yàn)所用混凝劑及該混凝劑的最佳投藥量.3種混凝劑混凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示.可以看出，同一混凝劑不同投加量下，CODcr和TP的去除效果隨投加量變化的情況較一致.隨著混凝劑投加量的增加，3種混凝劑對(duì)污水混凝效果均有不同程度提升，但達(dá)到某一去除率峰值后便不再繼續(xù)升高.氯化鐵、硫酸鋁、粉煤灰基混凝劑（懸濁液）最佳投量分別為60 mg／L、60 mg／L和1 mL／L，3種混凝劑在最佳投量下對(duì)CODcr的去除率分別為50%、64%、54%，對(duì)TP的去除率分別為70%、90%、80%，混凝對(duì)氨氮的去除率非常低，在2%～5%.

圖2 FeCl3混凝劑對(duì)CODcr和TP去除效果

圖3 Al2（SO4）3混凝劑對(duì)CODcr和TP去除效果

2.2濾布過濾壓差變化

在各混凝劑的最佳投加量下，將混凝后的混合液直接進(jìn)入濾布進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，過濾裝置內(nèi)外壓力差隨時(shí)間變化如圖5所示.可以看出，投加氯化鐵和硫酸鋁混凝的污水，過濾3 min后過濾裝置內(nèi)外壓差開始增加，13和15 min后壓差可達(dá)0.02 MPa，需要進(jìn)行反沖洗.而投加粉煤灰混凝劑的污水，在過濾進(jìn)行11 min后壓差才開始升高，過濾50 min后壓差方達(dá)0.02 MPa.可見經(jīng)氯化鐵和硫酸鋁混凝的污水對(duì)濾布的污染速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉煤灰混凝的污水.綜合考慮粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，其價(jià)格低廉，而且解決了粉煤灰回收利用問題，故選用粉煤灰混凝劑作為實(shí)驗(yàn)用混凝劑.

圖4 粉煤灰混凝劑對(duì)CODcr和TP去除效果

圖5 不同混凝劑處理污水時(shí)過濾壓差隨時(shí)間變化

2.3混凝-濾布過濾對(duì)CODcr和TP的去除

在混凝-濾布過濾實(shí)驗(yàn)中，CODcr和TP去除效果與混凝后沉淀效果的對(duì)比見表3.可以看出，在氯化鐵和硫酸鋁的最優(yōu)投加量下，不經(jīng)沉淀直接進(jìn)行濾布過濾過程對(duì)CODcr的去除率均小于在相同條件下經(jīng)過靜止沉淀的去除率；而投加粉煤灰混凝劑的污水經(jīng)混凝-濾布過濾后對(duì)CODcr和TP的去除與混凝后沉淀的效果幾乎相同.由于使用粉煤灰作為混凝-濾布過濾的混凝劑處理污水時(shí)具有更長(zhǎng)的工作周期（參見圖5），確定采用粉煤灰基混凝劑作為混凝-濾布過濾的混凝劑，最佳投加量為1 mL／L，其對(duì)CODcr、TP的去除率分別為55%和81%.

表3 混凝沉淀與混凝過濾對(duì)CODcr和TP的去除率

2.4滴濾池啟動(dòng)

滴濾池經(jīng)過4 d的污泥接種后進(jìn)入連續(xù)培養(yǎng)階段.在連續(xù)培養(yǎng)初期，為研究生物濾池的啟動(dòng)情況及其脫氮效果，定期測(cè)定進(jìn)、出水的CODcr和氨氮質(zhì)量濃度.生物滴濾池進(jìn)水為混凝-濾布系統(tǒng)出水，其總磷在0.5 mg／L以下，滴濾池出水總磷能夠保持在0.5 mg／L以下.進(jìn)、出水CODcr變化見圖6.反應(yīng)器啟動(dòng)初期CODcr去除率即達(dá)50%以上，因?yàn)樘盍媳砻骐m然并未形成生物膜，但附著許多接種活性污泥，對(duì)污水中的污染物有一定的吸附和截留作用.在水力的沖刷作用下，附著并不牢固的活性污泥在水力剪切作用下部分脫落，所以，在啟動(dòng)的前10 d內(nèi)，出水CODcr隨進(jìn)水變化較明顯，啟動(dòng)10 d后出水CODcr穩(wěn)定在50 mg／L以下.

圖6 滴濾池啟動(dòng)期間進(jìn)出水CODcr隨時(shí)間變化

生物濾池掛膜啟動(dòng)后的連續(xù)培養(yǎng)階段，在測(cè)定進(jìn)出水氨氮的同時(shí)測(cè)定了生物濾池各采樣口的氨氮質(zhì)量濃度，將生物濾池分為上層（0～60 cm）、中層（60～120 cm）、下層（120～180 cm）3個(gè)部分，各部分在連續(xù)培養(yǎng)過程氨氮出水情況如圖7所示.通過生物濾池沿程氨氮分析可知，生物濾池啟動(dòng)初期氨氮的去除率達(dá)20%，與王建華等［16］采用快速排泥掛膜法和自然掛膜法相結(jié)合的復(fù)合掛膜法研究結(jié)果一致.滴濾池運(yùn)行至13 d時(shí)，氨氮去除率穩(wěn)定在70%以上，但此階段生物滴濾池對(duì)氨氮的去除主要集中于生物濾池上段，中段對(duì)氨氮的去除作用較弱，主要是因?yàn)樵趩?dòng)初期，上層氮源豐富，啟動(dòng)較快完成，導(dǎo)致中段生物濾池中剩余氨氮質(zhì)量濃度較低，影響了中下段生物濾池的啟動(dòng)，在此期間中段幾乎對(duì)氨氮沒有去除作用.隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，中段濾池的氨氮質(zhì)量濃度也得以提升，逐步完成啟動(dòng)過程，最終達(dá)到與上段生物濾池同樣的脫氮能力.

圖7 滴濾池啟動(dòng)期間沿程出水氨氮隨時(shí)間變化

2.5缺氧生物濾池啟動(dòng)

滴濾池處于好氧狀態(tài)，反硝化作用較弱，對(duì)TN去除能力很低.為使出水TN達(dá)標(biāo)，在滴濾池前設(shè)置淹沒式缺氧濾池，其填料為與滴濾池相同的火山巖，填料粒徑為2～3 cm，略大于滴濾池粒徑，缺氧濾池與滴濾池容積比為1∶3.

當(dāng)缺氧濾池回流比從30%增加至150%的過程中，缺氧濾池的反硝化生物膜逐漸增長(zhǎng)，在此過程中每日取進(jìn)、出水水樣測(cè)定其總氮，結(jié)果如圖8所示.

圖8 缺氧濾池啟動(dòng)期間進(jìn)出水TN隨時(shí)間變化

在缺氧濾池運(yùn)行初期，進(jìn)出水TN質(zhì)量濃度并未有明顯變化（1～8 d），主要是由于初期硝化液回流量較少.隨著回流量不斷增加，反硝化細(xì)菌開始累積，TN去除率不斷提高.第10天回流比達(dá)150%后，去除率開始逐漸增加，直至運(yùn)行到第28天TN去除率達(dá)45%，出水TN質(zhì)量濃度降至15 mg／L，達(dá)到GB18918—2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.6混凝-濾布過濾-生物濾池組合工藝運(yùn)行效果及能耗分析

生物濾池啟動(dòng)完成后，將其與混凝濾布結(jié)合，形成混凝濾布過濾-缺氧生物濾池／滴濾池組合工藝.混凝-濾布系統(tǒng)對(duì)原水CODcr去除率為50%，TP去除率為81%，對(duì)氨氮幾乎沒有去除作用；生物濾池進(jìn)水CODcr穩(wěn)定維持在200～80 mg／L，出水CODcr穩(wěn)定在50 mg／L以下，對(duì)氨氮去除率達(dá)90%，TN的去除率達(dá)45%以上.

與活性污泥法相比，本工藝無(wú)需曝氣，可以節(jié)約能耗（表4）.生物滴濾池在有機(jī)負(fù)荷為0.8～1.2 kg／（m3·d）內(nèi)運(yùn)行效果良好，遠(yuǎn)大于活性污泥法的有機(jī)負(fù)荷（0.10～0.17 kg／（m3·d）），可以減少池容.組合工藝污泥產(chǎn)量與活性污泥法的比較見表4.以混凝過濾為前處理的生物滴濾池工藝，污泥主要產(chǎn)生在混凝-濾布過濾階段，所產(chǎn)生化學(xué)污泥含水率為94%，污水一級(jí)處理工藝的污泥產(chǎn)量取決于污水中懸浮物濃度，所以，混凝-濾布過濾階段污泥產(chǎn)量與活性污泥法初沉污泥產(chǎn)量相差不大；而生物處理階段，與活性污泥法相比，滴濾池微生物增殖速度較慢，污泥產(chǎn)量與傳統(tǒng)活性污泥法相比減小很多，滴濾池剩余污泥的含水率則為98.5%.混凝-濾布過濾對(duì)原水中CODcr去除率為50%，組合工藝在相同的有機(jī)負(fù)荷條件下節(jié)約了生物滴濾池的池容.

混凝使用藥劑為實(shí)驗(yàn)室自制粉煤灰混凝劑，粉煤灰來(lái)源為電廠固體廢棄物，與市售混凝劑相比成本極低.反沖洗水量占處理總水量的1.0%～7.2%.濾布濾池運(yùn)行電耗為0.012～0.060 kWh／m3［4-6］.滴濾池能耗主要來(lái)自污水提升泵和硝化液回流泵，電耗為0.06～0.10 kWh／m3［17-19］.組合工藝噸水處理電耗為0.072～0.160 kWh／m3，由于工藝無(wú)需曝氣，能耗小于活性污泥法處理污水電耗（0.263 kWh／m3）.

表4 與其他處理工藝比較

3 結(jié) 論

1）采用混凝-濾布過濾處理生活污水，當(dāng)粉煤灰基混凝劑投加量為1 mL／L時(shí)，對(duì)CODcr去除率為50%，TP去除率達(dá)81%.

2）經(jīng)過混凝-濾布過濾處理后的生活污水進(jìn)一步經(jīng)過生物濾池處理，滴濾池出水硝化液回流至缺氧濾池，回流比為150%，出水氨氮、TN、CODcr及TP均達(dá)到GB81918—2002中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

3）混凝-濾布過濾段對(duì)生物污水中磷的高效去除、缺氧濾池／生物滴濾池對(duì)總氮、氨氮的高效去除可解決傳統(tǒng)活性污泥法同步脫氮除磷的難題，適合于小城鎮(zhèn)污水處理.

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（編輯劉 彤）

Treatment of domestic wastewater by combined processes of coagulation cloth media filtration-anaerobic filter／trickling filter

ZHAO Qingliang1，LI Jiangwen1，2，WEI Liangliang1，WANG Kun1，LI Wei1
（1.School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，300142 Tianjin，China）

In order to treat the small town sewage wastewater with high efficiency，energy saving and low power consumption，a combined coagulation cloth media filtration?anaerobic filter／trickling filter system was established at experimental condition.Via the experimental optimization of equipments and materials，the optimal operation parameters of each part，especially the nitrogen removal ability during the start?up of the trickling filter had been investigated.Experimental results showed that at 1 mL／L fly ash coagulant dosage，54%removal of CODcrand 81%of TP would be removed by the combined system.The optimal hydraulic loading was 15 L／d and the optimal reflux ratio was 150%，which would guarantee the effluent ammonia，CODcr，TP reach A standard.

small town；domestic sewage；coagulation?cloth media filtration；trickling filter；nitrification

X703

A

0367-6234（2014）08-0021-06

2013-04-20.

國(guó)家創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51121062）；

黑龍江省博士后基金資助項(xiàng)目（AUGA411002401）.

趙慶良（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

魏亮亮，weill333＠163.com.